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Las xilanasas son un grupo de enzimas con actividad carbohidrasa, concretamente clasificada como glicosidasa, que hidrolizan el polisacárido xilano a xilosa.
La xilanasa es común en bacterias y hongos que degradan materia vegetal. Estos organismos se utilizarán para la producción de la enzima que se usará en la fabricación de piensos.
El sustrato de las xilanasas
La xilosa se encuentra en los arabinoxilanos, un polímero presente en la hemicelulosa que integra el grupo de los polisacáridos no amiláceos (PNA) con un ratio arabinosa:xilosa variable. En la figura 1 se esquematiza la determinación de PNAs.
Figura 1. Determinación de polisacáridos no amiláceos, lignina y fibra mediante un procedimiento enzimático-químico. Knudsen (2014)
La pared celular que recubre el endospermo de los cereales comúnmente utilizados en la fabricación de piensos para porcino está compuesta por PNAs (figura 2).
Figura 2. Corte transversal de un grano de trigo integral con la ubicación de sus partes. Adaptado por Knudsen (2014) de Surget y Barron (2005).
Los arabinoxilanos son los principales polisacáridos no celulósicos presentes en los cereales como el trigo, la cebada o el centeno, este último menos usado en porcino.
Estructura química y propiedades físicas de los arabinoxilanos
Los arabinoxilanos están formados por cadenas lineales de unidades de xilosa unidas por enlaces β-(1-4), con diversas ramificaciones de unidades de β-L-arabinofuranosa (figura 3).
Figura 3. Estructura química de los arabinoxilanos. Las ramificaciones de arabinosa y su distribución varían entre cereales y entre variedades de un mismo cereal.
Los arabinoxilanos se pueden clasificar como solubles o insolubles y el grado de solubilidad variará en función de la presencia de arabinosa en la cadena de carbohidratos. La arabinosa da mayor complejidad a la estructura, condicionando la capacidad de interacción con otras moléculas, la solubilidad y la sensibilidad a la hidrólisis enzimática. La hidrólisis dependerá del patrón de distribución de la arabinosa, que es muy variable. Dichos patrones difieren entre cereales pero también entre variedades de un mismo cereal.
En materias primas como el trigo y el centeno, el arabinoxilano soluble (aproximadamente el 30% del total) es el que promueve una naturaleza "viscosa" del contenido digestivo. Este efecto de viscosidad puede influir negativamente sobre la microbiota intestinal.
Al comparar los diferentes ingredientes comúnmente utilizados en dietas para porcino, observamos que el maíz y la harina de soja promueven un contenido digestivo menos viscoso que el centeno, la cebada, la avena o el trigo.
El arabinoxilano del maíz se caracteriza por estar ramificado con L-arabinosa, ácido glucorónico y ácido ferúlico. En el estómago, en condiciones de pH ácido, la L-arabinosa permite la liberación parcial de los arabinoxilanos. Por otro lado, la harina de soja contiene xilosa como xiloglucanos y el haba de soja contiene xilosa asociada básicamente al contenido en xilanos de la cascarilla.
Los arabinoxilanos en las materias primas
El contenido en polisacáridos no amiláceos totales, arabinoxilanos totales y sus respectivas fracciones solubles se pueden ver en la tabla 1 para distintos ingredientes.
Tabla1. Contenido en PNA totales, arabinoxilanos totales (% de la MS) y sus respectivas fracciones solubles (% del total).
| Ingrediente | PNA total | PNA soluble |
Arabinoxilanos |
Arabinoxilanos solubles |
|---|---|---|---|---|
| Trigo | 11,4 | 21,7 | 7,1 | 23,6 |
| Cebada | 17,4 | 26,1 | 7,9 | 11,1 |
| Centeno | 14,0 | 25,6 | 8,9 | 34,9 |
| Triticale | 14,7 | 22,7 | 9,7 | 12,0 |
| Sorgo | 5,1 | 11,4 | 2,3 | 4,8 |
| Maíz | 8,8 | 11,8 | 4,6 | 5,0 |
| Salvado de trigo | 35,3 | 1,3 | 19,8 | 6,3 |
| DDGS de maíz | 20,6 | 1,3 | 12,7 | 9,3 |
| Harina de colza | 22 | 15,5 | 6,3 | 25,4 |
| Harina de girasol | 31,2 | 11,3 | 8,5 | 13,0 |
| Harina de soja | 21 | 27,6 | 4,1 | 24,1 |
| Guisantes | 17,4 | 28,9 | 4,9 | 44,9 |
| Altramuces | 46,1 | 44,3 | 4,3 | 65,1 |
Valores medios obtenidos en base a Englyst (1989), Choct, M (1997), Bach Knudsen, KE (2010 y 2014) y datos propios.
Tipos y características de las xilanasas
Existen muchos tipos de xilanasas y la estructura, funcionamiento y las características óptimas para presentar la mayor actividad enzimática es bastante diferente entre ellas.
Las endo-β-(1,4)-D-xilanasas, conocidas como xilanasas, son las principales enzimas involucradas en la degradación del arabinoxilano. Dividen los arabinoxilanos hidrolizando internamente el enlace 1,4-β-D-xylosidico entre residuos de xilosa en el esqueleto de xilano de manera aleatoria. En 2007, se identificaron más de 290 xilanasas y se agruparon en seis familias diferentes de glucósido hidrolasa (GH) (5, 7, 8, 10, 11 y 43) (Collins et al., 2005; Dornez et al., 2009). El patrón de degradación de cada una de estas enzimas puede ser diferente, dando lugar a diferentes productos enzimáticos. Por ejemplo, la mayoría de las hidrolasas de glucósidos que se clasifican en la familia GH 10 son las endo-β-1,4-xilanasas que degradan el arabinoxilano con alto grado de sustitución de arabinosa en fragmentos más pequeños. Estas fracciones residuales de oligosacáridos pueden ser de gran interés como sustrato fácilmente disponible para ser fermentado, actuando como donador de energía o funcionalidad prebiótica. Las xilanasas GH 11 actúan preferiblemente en las regiones no sustituidas del esqueleto y para una correcta hidrólisis requieren tres xilosas consecutivas sin radicales de arabinosa de por medio. Por lo tanto, las xilanasas GH 11 tienen una baja actividad sobre los heteroxilanos con un alto grado de sustitución.
Por tanto, las xilanasas, como cualquier otra enzima, son específicas del sustrato que necesitan para actuar. Esto significa que para que la enzima proporcione un beneficio en la formulación de dietas para cerdos, la dieta debe contener el sustrato específico relevante para que la enzima funcione, o sea arabinoxilanos. Y que el enzima utilizado contenga los diferentes tipos de xilanasas establecidas según la clasificación anterior de acuerdo con el tipo de sustrato que contiene la dieta.
Las características de las xilanasas están determinadas por el tipo de organismo que las produce (fúngico o microbiano). Las xilanasas utilizadas comúnmente en la industria de la fabricación de pienso para alimentación animal son producidas por Aspergillus niger, que es un hongo, Trichoderma reesei o Bacillus subtilis, que son bacterias. Entre las diferentes cepas productoras se han hecho modificaciones específicas (selección y mejora de cepas productoras y cepas genéticamente modificadas) para la mejora de la eficiencia de producción, rendimiento y actividad en el momento que las cepas ancestrales han sido utilizadas por la industria de fabricación de xilanasa (en sus diferentes campos de aplicación).
El pH óptimo de las xilanasas de origen bacteriano es, en general, ligeramente más alto que el pH óptimo de las xilanasas de origen fúngico.
Las enzimas también pueden diferir en la estabilidad térmica. Sin embargo, la mayoría de las enzimas hoy en día comercializadas acostumbran a ser termoestables preservando su actividad incluso bajo temperaturas de acondicionamiento por valor. La presentación líquida y aplicación post-granulado por esprayado del gránulo puede ser una de las mejores formas de preservar la máxima actividad evitando la inactivación por calor durante el procesado del pienso.
Uso de las xilanasas en pienso
La hidratación de los arabinoxilanos durante el proceso de digestión conlleva un aumento de la viscosidad luminal de la fase líquida o soluble que afecta directamente a la digestibilidad del almidón e impide el proceso d emulsión de los lípidos, así como la reabsorción de ácidos biliares antes de la válvula ileo-cecal. En este sentido, la actividad de la xilanasa puede representar una oportunidad de mejora importante sobre la digestibilidad del almidón y la grasa, mejorando el aprovechamiento de la energía, promoviendo indirectamente una reducción del índice de conversión y los costes de alimentación.
Por otro lado, tras la actuación de la xilanasa genera un nuevo sustrato residual, cadenas o estructuras de oligosacáridos, potencialmente fermentables por la población microbiana que reside a partir del íleon terminal y que podrán dar lugar a la producción de ácidos grasos de cadena corta (acético, butírico y propiónico). El acetato es básicamente utilizado como sustrato para la producción de butirato. El butirato producido es conocido por su funcionalidad sobre la salud intestinal (fuente de energía para los colonocitos) y el equilibrio de la microbiota del intestino grueso. El propionato es metabolizado a nivel hepático, es gluconegogénico e inhibe la lipogénesis.
Actualmente, se encuentran en el mercado más de 20 productos que contienen actividad xilanásica, ya sean solos o en combinación con otras enzimas, que han sido aprobados por la Unión Europea (UE) para el uso en dietas para porcino. Dado que la UE requiere que los proveedores de enzimas demuestren la eficacia de sus productos en al menos tres ensayos científicos en animales por especie y etapa de producción, existe una cantidad significativa de datos sobre este tipo de enzimas en las dietas para cerdos.
Hallazgos recientes
1. Investigación sobre la xilanasa, el método de formulación de la dieta para la energía y la elección del marcador del índice de digestibilidad sobre la utilización de nutrientes y energía en pollos y cerdos de engorde.
Se observaron interacciones entre la suplementación con xilanasa y el método de formulación de energía para la digestibilidad ileal aparente de materia seca, energía, Arg y Lys. La inclusión de xilanasa disminuyó la digestibilidad ileal aparente de Lys en dietas que contenían tierra de diatomeas o salvado de trigo, pero aumentó la digestibilidad ileal aparente de Arg en la dieta con arena y la digestibilidad ileal aparente de la energía en la dieta de salvado de trigo. El tipo de marcador de índice de digestibilidad no tuvo efecto en las respuestas en cerdos.
2. Degradación de la fibra dietética en el estómago, intestino delgado e intestino grueso de cerdos en crecimiento alimentados con dietas a base de maíz o trigo sin o con xilanasa microbiana.
Los ingredientes utilizados en la formulación del pienso y la concentración de fibra dietética pueden influir en el grado de fermentación de la fibra. La inclusión de xilanasa A o B mejoró la digestibilidad ileal aparente y la digestibilidad total aparente de la fibra dietética en dietas basadas en trigo, lo que indica la actividad de la xilanasa en el tracto gastrointestinal de los cerdos. La inclusión de xilanasa A mejoró la concentración de energía digestible y energía metabolizable en dietas de trigo-harina de soja-harinilla de trigo y la xilanasa B mejoró la concentración de energía digestible en dietas basadas en trigo y mejoró la concentración de la energía metabolizable en la dieta dieta trigo-soja. En conclusión, las xilanasas utilizadas en este experimento mejoraron la digestibilidad de la fibra dietética en el estómago y el intestino posterior y mejoraron el estado energético de los cerdos alimentados con dietas basadas en trigo, pero no de los cerdos alimentados con dietas basadas en maíz.
3. Impacto de las xilanasas en la microbiota intestinal de cerdos en crecimiento alimentados con dietas a base de maíz o trigo.
Para cada dieta a base de cereales, los tratamientos con xilanasa afectaron las proporciones de 5 taxones bacterianos en el íleon y 8 en el ciego. El tratamiento con xilanasa redujo la influencia de Bacteroidetes y promovió un gran número de taxones centrales, la mayoría de los cuales pertenecían al filo Firmicutes. Para maximizar la eficiencia de la suplementación con xilanasa, nuestros datos sugieren que la xilanasa C originada a partir de Bacillus subtilis fue más efectiva cuando se aplicó a dietas basadas en trigo, mientras que la xilanasa A originada a partir de Fusarium verticillioides fue más beneficiosa cuando se aplicó a dietas basadas en maíz.
4. Energía digestible de una dieta basada en maíz y harina de soja suplementada con xilanasa en cerdos de transición en jaulas metabólicas o corrales.
No se observó interacción entre las condiciones de alojamiento y la suplementación con xilanasa. Los cerdos en los corrales tenían una mayor ingesta diaria de pienso y un mayor peso corporal final medio, pero tendían a mostrar una menor digestibilidad de la materia seca. La suplementación con xilanasa solo tendía a mejorar la ingesta diaria, independientemente de las condiciones de alojamiento. En conclusión, la suplementación con xilanasa liberó 27-29 kcal de energía digestible de una dieta basada en maíz y harina de soja en cerdos alojados en jaulas metabólicos o corrales. La suplementación con xilanasa podría mejorar la digestibilidad fecal de la materia seca y aumentar la ingesta de alimento de los cerdos si se les permite un acceso libre a la alimentación.
5. Efectos de la xilanasa en el rendimiento de los cerdos en crecimiento: concentraciones de ácidos grasos volátiles y del péptido YY en sangre portal y periférica.
Los polisacáridos no almiláceos (NSP) presentes en el trigo y la cebada pueden actuar como antinutrientes, lo que lleva a un aumento de la viscosidad de la digesta y a una reducción de la digestibilidad de los nutrientes. Se ha demostrado que la xilanasa, una enzima que degrada los NSP, aumenta la digestibilidad de los nutrientes en porcino. Sin embargo, en las dietas a base de cereales, con mezcla de trigo y cebada, suministradas entre los 14 y los 41 kg de peso, la adición de xilanasa no tuvo ningún efecto sobre el crecimiento, la digestibilidad en todo el tracto de la MS, MO o FB, la concentración de AGV o la concentración de péptido YY cuando se añadía hasta 32.000 BXU/kg durante un período de 35 días. El rendimiento de los cerdos fue bueno para todos los tratamientos a lo largo del ensayo, lo que sugiere que la calidad de la dieta fue suficiente, por lo que no hubo efectos beneficiosos al agregar la xilanasa.
